杜明星，李 豹，唐吉林，魏克新

（天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，天津300384）

IGBT模塊結(jié)溫估計方法及其溫度特性研究

杜明星，李 豹，唐吉林，魏克新

（天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，天津300384）

為了準(zhǔn)確快速地估計結(jié)溫，研究了IGBT模塊的溫度特性及基于溫度敏感電參數(shù)TSEP（temperature sensitive electrical parameters）的結(jié)溫估計方法。首先在不同殼溫的條件下，測量IGBT開關(guān)過程中的門極-射極電壓Vge、集電極-射極電壓Vce和集電極電流Ic，并以上述參數(shù)作為 TSEP；然后分析了TSEP隨溫度變化的機(jī)理，研究了TSEP典型特征與溫度的關(guān)系，并將其量化；最后提出一種準(zhǔn)確的IGBT結(jié)溫估計方法。實驗測試結(jié)果表明，基于TSEP的典型特征的結(jié)溫估計方法切實可行。

絕緣柵雙極型晶體管；結(jié)溫；溫度敏感電參數(shù)；估計方法

引言

絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar tramsistor）因擁有較寬的工作電壓范圍和大電流的處理能力等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于電動汽車、高速機(jī)車和新能源發(fā)電等領(lǐng)域［1］?？紤]到IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域較廣，因此IGBT模塊的可靠性研究是非常重要的，不僅有利于延長壽命，而且有利于降低電力電子系統(tǒng)的成本［2］。結(jié)溫TJ是反應(yīng)IGBT模塊的健康狀態(tài)的一個重要參數(shù)，其值直接受到焊料層損傷和鍵接線老化的影響［3］，因此，通過獲取TJ的數(shù)值間接監(jiān)測IGBT模塊的可靠性是可行的［4］。為了準(zhǔn)確估計溫度，需研究健康狀態(tài)下IGBT模塊的電氣特性與溫度的關(guān)系。當(dāng)IGBT處于降級狀態(tài)時，考慮健康狀態(tài)下的溫度影響，得到準(zhǔn)確的溫度信息，以便于得到正確的故障診斷結(jié)論。

目前獲取功率器件結(jié)溫常用的3種有效方法是光學(xué)方法、物理接觸方法和電氣方法［5］。從狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的要求考慮，一種快速準(zhǔn)確的溫度測量方法是必要的，硬件成本和結(jié)構(gòu)盡可能地不改變。由文獻(xiàn)［6］可知，獲取結(jié)溫的最合適的方法是電氣方法，其可滿足狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的要求。電氣方法主要關(guān)注IGBT模塊的外部電氣參數(shù)，可以為IGBT模塊的門極、集電極、射極參數(shù)。

本文在探究半導(dǎo)體材料的基本物理參數(shù)隨著溫度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究IGBT模塊的溫度敏感參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系；然后研究了IGBT開關(guān)過程中閾值電壓、集電極-射極電壓或電流與溫度的關(guān)系；介紹了不同溫度下IGBT模塊的測量裝置，并討論了試驗結(jié)果。最后得到了IGBT特性與溫度的關(guān)系。

1 IGBT的溫度特性

1.1 閾值電壓的溫度特性

對于常用的功率器件而言，閾值電壓VT的計算公式為

式中：φms為功函數(shù)差；Qox為氧化層電荷密度；Cox為門極氧化層電容；εs為半導(dǎo)體的介電常數(shù)；q為電子電荷；NA為襯底摻雜濃度。φB為P型襯底的費(fèi)米能級，其計算公式為

式中：KT/q為熱電壓；ni為硅的本征載流子濃度［7］

考慮到φms不受到溫度影響，將式（1）求導(dǎo)［8-10］得

由于Qox是固定的氧化層電荷，它本質(zhì)上不依賴溫度，因此式（3）可以簡化為

其中

式中：Eg0為溫度T等于0時的能隙［11］。

文獻(xiàn)［12］的實際測試結(jié)果證實，在一個較大的溫度范圍內(nèi)，ln ni與1/T是簡單的線性關(guān)系。因此，根據(jù)上述理論分析可以很容易地導(dǎo)出，因費(fèi)米能級的變化，閾值電壓隨著溫度降低而增加。

1.2 開關(guān)過程的溫度特征

1.2.1 開通過程

IGBT模塊內(nèi)部包括IGBT和二極管兩部分，其模塊的特性會受到二極管影響。由于載流子的壽命隨著溫度和遷移率的降低而增加，且IGBT的電荷存儲區(qū)必須首先通過開通儲存電荷，故開通過程隨著溫度升高而減小。換句話說，在漂移區(qū)的電荷存儲量隨著溫度升高而減小。

考慮到IGBT寄生電感和負(fù)溫度系數(shù)開關(guān)過程，集電極和射極尖峰電壓隨著溫度上升而減?。?3］。

1.2.2 關(guān)斷過程

溫度升高延緩了關(guān)斷過程，但對開通過程延緩過程影響較小［14］。為了分析時間延遲現(xiàn)象，需要研究IGBT的物理機(jī)理。引起關(guān)斷過程時間延遲的原因是門極-射極電壓的延遲，這是因米勒平臺的持續(xù)時間增加所致［15］。描述該結(jié)論的理論表達(dá)式為

式中：tdiff為米勒平臺的持續(xù)時間；Rg為門極電阻；CGC為門極電容（米勒電容）；Vdc為直流中間環(huán)節(jié)電壓；Von為通態(tài)電壓；IL為負(fù)載電流；gm為跨導(dǎo)；Vth為閾值電壓。

由式（2）可知，當(dāng)CGC和Rg隨著溫度升高而變大時，米勒平臺的持續(xù)時間tdiff隨著溫度的升高而增加。因此，在不同的溫度條件下，可以采用Vge和Ice的時間延遲來估計IGBT芯片的結(jié)溫。

2 測量裝置和方法

圖1給出了IGBT的測量裝置和測量原理，該測量裝置由IGBT模塊、溫度控制加熱盤、源測量單元SMU（型號為Keithley 2636B and 2651A）和工控機(jī)等構(gòu)成。

圖1 測量裝置和測量原理示意Fig.1 Schematic diagram of measureing equipmeut and measure principle

圖2給出了源測量單元測量電路，主要包括電壓模式和電流模式。測量系統(tǒng)可采用兩線制或四線制測量方法，其中四線制測量方法通過將I/O SHI和SLO兩個端子直接接入被測器件的方式來最小化或消除引線電阻的影響。為了提高測量精度，本文采用四線制測量方法，根據(jù)測試要求可選擇電壓或者電流模式。整個測量系統(tǒng)可實現(xiàn)許多測試功能，如實現(xiàn)功率器件門極驅(qū)動電路測試、電壓源、電流源工作模式和功率器件殼溫控制裝置等。

圖2 源測量單元的測量電路Fig.2 Circuit of SMU

3 測量結(jié)果與討論

為了測取不同殼溫下IGBT模塊的溫度特性，在基于源測量單元的實驗測試裝置的基礎(chǔ)上，選取了雙管封裝IGBT芯片和續(xù)流二極管芯片IGBT模塊各4個作為研究對象，分別測取不同溫度下的門極-射極電壓、集電極電流、集電極-射極電壓等電信號，重點(diǎn)研究開關(guān)過程中的電參數(shù)的變化規(guī)律。具體測量結(jié)果及分析過程如下。

3.1 門極-射極電壓

圖3和圖4分別給出了不同殼溫下IGBT模塊門極-射極電壓的開通和關(guān)斷過程曲線。曲線測量溫度范圍從25℃到125℃。從圖3和圖4中可以看出，IGBT模塊門極-射極電壓Vge的平臺持續(xù)期隨著溫度增加而降低。因Vge的平臺電壓近似等于閾值電壓，故實驗結(jié)果與第2節(jié)的理論分析相一致。

根據(jù)圖3和圖4的曲線可以確定不同結(jié)溫下的米勒平臺電壓，米勒平臺電壓與殼溫的關(guān)系曲線如圖5所示。圖5（a）和（b）分別為門極開通和關(guān)斷過程的平臺電壓隨結(jié)溫的變化曲線。從圖5擬合結(jié)果可以看出，米勒平臺電壓和結(jié)溫近似呈線性關(guān)系。因此IGBT的結(jié)溫可以通過測量米勒平臺電壓來實現(xiàn)。

從式（4）可知，當(dāng)IGBT工作條件變化時，門極-射極電壓變化受外加電壓和電流的影響較小。如果實驗條件允許，可以在不同電壓等級條件下對圖5所示的擬合曲線進(jìn)行實驗修正。

圖3 IGBT開通過程不同結(jié)溫條件下的Vge曲線Fig.3 Waveforms of Vgeduring turn-on process of igbt under different junction temperatures

圖4 IGBT關(guān)斷過程不同結(jié)溫條件下的Vge電壓曲線Fig.4 Wareforms of Vgeduring turn-off process of IGBT under different junction temperatures

圖5 IGBT開關(guān)過程不同結(jié)溫條件下的Vge變化的擬合曲線Fig.5 Vgefitted curves during switching process of IGBT under different junction temperatures

3.2 集電極電流和集電極-射極電壓

3.2.1 開通過程

IGBT開通過程度中，不同結(jié)溫條件下的Vce、Ice曲線如圖6所示。由圖6可以看出，集電極與射極的電壓和電流在不同結(jié)溫下是不同的，且該曲線的主要特征是電壓尖峰和時延。

為了描述結(jié)溫的影響，圖7擬合了電壓和電流尖峰、時延與結(jié)溫的擬合曲線。從圖7中可以看出，隨著結(jié)溫的升高，電壓和電流尖峰、時延均減小，它們之間的關(guān)系是線性的，可用于溫度測量。與第2節(jié)的分析相一致。對于IGBT開通過程而言，時延不便于測量，故主要關(guān)注電流尖峰。而電流尖峰的產(chǎn)生主要因為寄生電感的存在，寄生電感的大小與工作頻率和IGBT結(jié)構(gòu)有關(guān)，與工作復(fù)雜無關(guān)。

圖6 IGBT開通過程不同結(jié)溫條件下Vce、Ice曲線Fig.6 Waveforms of Vce、Iceduring turn-off process of IGBT under different junction temperatures

圖7 Vce和Ice時延與結(jié)溫的擬合曲線Fig.7 Fitted curves of Vceand Icebetween delaytime and junction temperature

3.2.2 關(guān)斷過程

圖8給出了IGBT集電極-射極電壓和電流的關(guān)斷過程波形，該波形唯一特征是時間延遲。從這一點(diǎn)來看，圖8曲線與圖6不同。

圖8 IGBT關(guān)斷過程在不同結(jié)溫條件下Vce、Ice曲線Fig.8 Waveforms of Vceand Iceduring turn-off process of IGBT under different junction temperatures

將時延與結(jié)溫的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖9所示，從圖中可看出，兩條擬合曲線基本是線性的。

圖9 Vce和Ice時延長短與結(jié)溫關(guān)系的擬合曲線Fig.9 Fitted curves of Vceand Icebetween delaytime and junction temperature

當(dāng)IGBT工作條件發(fā)生變化時，特別是負(fù)載電流和直流中間環(huán)節(jié)電壓等參數(shù)變化時，圖8和圖9的測試結(jié)果需要重新測定。當(dāng)然對于源測量單元來說，大功率工作條件下很難達(dá)到，需要另行設(shè)計測試電路。

4 結(jié)語

本文對基于IGBT模塊電氣參數(shù)測量值估計結(jié)溫的方法進(jìn)行了研究。重點(diǎn)揭示了IGBT模塊內(nèi)部IGBT電氣參數(shù)與結(jié)溫的內(nèi)在關(guān)系；且門極-射極電壓、集電極-射極電壓和集電極電流與結(jié)溫的關(guān)系被證明是近似線性的。因此，基于結(jié)溫的狀態(tài)監(jiān)測方法可以實現(xiàn)，且有快速方便的優(yōu)點(diǎn)。

本文的研究成果對開發(fā)以提高工作可靠性為目的的實用功率器件狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是非常有價值的，特別是對于應(yīng)用面較廣的IGBT模塊。

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Research on Temperature Characteristics and Method of Junction Temperature of Estimation IGBT Module

DU Mingxing,LI Bao,TANG Jilin,WEI Kexin
（Tianjin Key Laboratory of control Theory and Applications in Complicated System,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China）

In order to accurately estimate junction temperture,the temperature characteristics of insulated gate bipolar transistors（IGBTs）and junction temperature estimation method based on temperature sensitive electrical parameters（TSEP）are studied in this paper.The gate-emitter voltage Vge,collector-emitter voltage Vce,and collector current Icin different case temperature are measured during switching process,which are used as TSEP.The paper first analyzes the mechanism that the value of parameters changes with temperature,and then studied the relationship between typical characteristics of TSEP and temperature.The research aims at analyzins the temperature sensitivity of TSEP,providing a temperature measurement method of estimating accurately junction temperature of IGBTs.The experimental results show that the junction estimation method besed on typical characteristics of TSEP is feasible.

insulated gate bipolar transistors（IGBTs）;junction temperature;temperature sensitive electrical parameters（TSEP）;estimation method

杜明星

杜明星（1980-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：電力電子裝置可靠性、電磁兼容等，E-mail：dumx@tjut.edu.cn。

李豹（1990-），男，碩士研究生，研究方向：功率變換系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測，E-mail：5700203 23@qq.com。

唐吉林（1990-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子系統(tǒng)電磁兼容，E-mail：87 1379455@qq.com。

魏克新（1954-），男，碩士，教授，研究方向：功率變換器控制技術(shù)、電磁兼容、可靠性等，E-mail：kxwei@tjut.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.17

TM46

A

2015-06-23

天津市自然科學(xué)基金面上資助項目（14JCYBJC18 400）

Project Supported by Tianjin Natural Science Foundation（14JCY BJC18400）